CN116297858A - 超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，涉及三维地质模型技术领域。本发明系统包括大功率超声相控装置、超声收发一体式传感器和测控与三维超声成像软件。根据重点监测区域条件和地质模型开挖设计方案，采用几何非对称监测布置模式，不同监测断面传感器组交错布置，形成三维监测网格；将传感器采用预埋式方式实现与三维地质模型的耦合，并将传感器按照编号与大功率超声相控装置进行连接；然后对每一链式传感器阵列的传感器按预先设定的延迟时间逐一激励；三维超声成像软件根据超声传感器采集的回波、透射波信号及三维网格关系，反演分析监测区域的三维波速场，通过波速场变化反映岩体破裂位置及程度。
Description
技术领域
本发明涉及三维地质模型技术领域，尤其涉及一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统。
背景技术
随着资源开采、水电开发、交通建设的发展，岩石工程面临深部施工挑战。深部工程岩体处于复杂的地质构造及真三向高应力环境，在高应力和开挖扰动的作用下，岩爆、塌方等重大工程灾害频繁发生，但深部工程岩体破裂及灾变孕育机理仍未得到有效解决。通过5m*5m*5m超大型三维地质模型试验，实时监测岩体破裂信号、破裂时间和破裂源，可科学认知深部工程岩体开挖破裂全过程的机理，为灾害预警和防控提供重要依据。因此，针对超大型三维地质模型开挖过程中模型内部破裂演化及灾变过程监测，如何实现模型内部破裂的高精度全时空监测是亟待解决的技术问题。
目前三维地质模型监测以应力、变形及声发射监测为主。应力及变形监测针对测点或测线进行监测，所获取的数据局限于某一测点或某一测线区域，然后通过应力或变形特征曲线的变化趋势，分析岩体相似材料的变形破坏特征。因此，基于变形分析的监测手段多以局部测点分析为主，无法感知大型三维地质模型内部的全局破坏信息；而且基于变形及应力监测无法直观反映大型地质模型开挖破裂过程中微破裂萌生、扩展直至贯通破坏的全过程，难以揭示岩体灾变孕育机理。声发射监测可以实时捕捉岩体破裂信号，但在大型三维地质模型开挖过程中，无法准确区分围岩破裂信号、开挖噪声信号和扰动信号等，所监测数据准确度较低。且由于声发射本身的局限性和声发射定位算法的精度问题，声发射监测无法准确获得岩石破裂源位置。鉴于超声波对岩体破裂源的较高敏感性，超声监测在岩体破裂源监测方面具有较大的发展潜力,但目前岩体超声监测主要局限在单孔或跨孔的波速测量，其无法实现大型三维地质模型破裂区的全时空覆盖监测，也无法准确全面的获取开挖过程中三维地质模型的破裂演化与灾变孕育过程。
由于超大型三维地质模型处于真三向高应力状态，模型开挖过程，在洞周围岩应力调整及重分布作用，模型内部伴随微裂纹的萌生和扩展，而且岩爆等灾变过程也是岩体内部破裂由量变到质变的结果。同时三维地质模型内部破裂萌生发展前期具有尺度小(mm～cm级)、破裂深、监测困难等特点。因此，需要建立一种能够满足超大型三维地质模型岩石破裂过程监测需求的全时空高精度监测设备和方法，用于获取大型地质模型开挖过程中的岩石内部实时破裂，为分析岩石工程灾变机理提供有效的手段。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，通过分布式超声监测及三维超声成像技术实现三维地质模型内部破裂过程中裂纹萌生、扩展的三维高精度监测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，包括大功率超声相控装置、超声收发一体式传感器和测控与三维超声成像软件。
所述大功率超声相控装置包括超声激励及采集单元、激励与采集转换开关、功率放大器、信号放大器；所述超声激励及采集单元与所述激励与采集转换开关相连，激励与采集转换开关分别连接所述功率放大器和信号放大器，功率放大器和信号放大器均连接所述超声收发一体式传感器；
所述超声激励及采集单元通过超声激励与采集转换开关分别选择超声发射或超声接收模式：当选择超声发射模式时，转换开关与功率放大器连接，超声激励及采集单元通过发射超声脉冲信号，经功率放大器放大后传给超声收发一体式传感器；当选择超声接收模式时，转换开关与信号放大器连接，超声收发一体化传感器接收的信号经信号放大器放大后，由超声激励及采集单元进行采集并存储；
所述大功率超声相控装置设置128个监测通道，多个监测通道逐次按预先规定的延迟时间激励传感器，改变声波到达物体内某点时的相位关系，控制声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，以提高监测精度。
所述超声收发一体式传感器采用收发一体式晶片，并预埋在大型三维地质模型中；若干个超声收发一体式传感器连接形成链式传感器阵列；在同一监测断面上，布置若干条链式传感器阵列，以覆盖监测区域，多个监测断面的传感器共同构成三维测控网格。
所述测控与三维超声成像软件包括监测控制软件与三维超声成像分析软件，所述监测控制软件控制大功率超声相控装置的激励与采集，所述三维超声成像软件利用超声收发一体式传感器采集的超声波信号进行三维波速场反演分析，进而通过波速场变化实现岩体破裂源的精准定位；
所述一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，用于实现一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测方法，包括以下步骤：
步骤1、根据边界条件和岩石力学理论判断重点破坏区域，即超声重点监测区域；
步骤2、根据重点监测区域条件和地质模型开挖设计方案，采用几何非对称监测布置模式，即在重点监测区域布置数量相对多量的监测传感器；对于不易发生破坏的位置，布置相对少量的监测传感器；在监测区域内，沿洞轴开挖方向设置4～5个与洞轴线垂直的监测断面，不同监测断面距离不超过1m，每个监测断面布置3～4条链式传感器阵列且呈扇形布置，每条链式传感器阵列呈直线状排列且传感器间距不超过10cm，传感器数量根据监测深度确定，每条链式传感器阵列中传感器数量不少于4个；不同监测断面传感器组交错布置，形成三维监测网格；为提高监测精度，可对监测网格进行加密布置；
步骤3、根据几何非对称监测布置方案，将传感器采用预埋式方式实现与三维地质模型的耦合，并将传感器按照编号与大功率超声相控装置进行连接；然后对每一链式传感器阵列的传感器按预先设定的延迟时间逐一激励；当某一传感器被激励时，同一链式传感器阵列的其他传感器采用回波监测模式，不同链式传感器阵列上的传感器采用透射监测模式，两两传感器之间形成了三维监测网格；同一链式传感器阵列上的传感器通过控制传感器激发的数量、传感器位置、激励时间，进而控制超声发射束的偏转与聚焦，改变声波到达破裂源的相位关系，以提高监测的精度；
步骤4、三维超声成像软件根据超声传感器采集的回波、透射波信号及三维网格关系，联合反射-透射联合成像算法，反演分析监测区域的三维波速场，然后通过波速场变化反映岩体破裂位置及程度；
所述反射-透射联合成像算法为传感器采用回波监测模式与透射监测模式，利用回波信号与透射波信号联合进行超声波成像。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，和现有技术相比，其采用大功率超声相控装置，解决了由于岩体材料超声衰减大导致高频超声测试精度低的问题；通过分布式监测，组建了超声三维测控网格，并结合反射-透射联合成像，有效实现了岩体破裂源和破裂程度的高精度监测。
附图说明
图1为本发明的超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统监测原理图；
图2为本发明中超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统某一断面超声监测示意图；
图中，1-超大型三维地质模型；2-洞室；3-超声收发一体式传感器；4-大功率超声相控装置；5-链式传感器阵列；6-超声监测网格。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统包括大功率超声相控装置4、超声收发一体式传感器3和测控与三维超声成像软件。
所述大功率超声相控装置4包括超声激励及采集单元、激励与采集转换开关、功率放大器、信号放大器；所述超声激励及采集单元与转换开关相连，转换开关分别连接功率放大器和信号放大器，功率放大器和信号放大器均连接超声收发一体式传感器3。超声激励及采集单元通过超声激励与采集转换开关分别选择超声发射或超声接收模式：当选择超声发射模式时，转换开关与功率放大器连接，超声激励及采集单元通过发射超声脉冲信号，经功率放大器放大后传给超声收发一体式传感器3；当选择超声接收模式时，转换开关与信号放大器连接，超声收发一体化传感器3接收的信号经信号放大器放大后，由超声激励及采集单元进行采集并存储。所述大功率超声相控装置4设置128个监测通道，每个通道连接一个超声收发一体化传感器3，多个监测通道逐次按预先规定的延迟时间激励传感器，改变声波到达物体内某点时的相位关系，控制声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，以提高监测精度。
所述超声收发一体式传感器3，采用收发一体式晶片，并预埋在大型三维地质模型1中；多个传感连接形成链式传感器阵列5；在同一监测断面上，布置多条链式传感器阵列，以覆盖监测区域，多个监测断面的传感器共同构成三维监测网格6。
所述测控与三维超声成像软件包括监测控制软件与三维超声成像分析软件，通过监测控制软件控制大功率超声相控装置的激励与采集，三维超声成像软件利用超声收发一体式传感器3采集的超声波信号进行三维波速场反演分析，进而通过波速场变化实现岩体破裂源的精准定位。
所述一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、根据主应力方向和洞轴线关系，洞室右拱肩和左边墙为重点监测区域；
步骤2、如图2所示，在左边墙和右拱肩采用几何非对称监测布置方式。右拱肩部位布置3条链式传感器阵列5且呈扇形布置，每条链式传感器阵列呈直线状排列且传感器间距为10cm，每条链式传感器阵列5中传感器3数量为4个。
步骤3、根据几何非对称监测布置方案，将传感器采用预埋式方式实现与三维地质模型1的耦合，并将传感器3按照编号与大功率超声相控装置4进行连接；然后对每一链式传感器阵列5的传感器3按预先设定的延迟时间逐一激励。当某一传感器被激励时，同一链式传感器阵列的其他传感器采用回波监测模式，不同链式传感器阵列上的传感器采用透射监测模式，两两传感器之间形成了超声监测网格6。同一链式传感器阵列上的传感器可以通过控制传感器激发的数量、传感器位置、激励时间，进而控制超声发射束的偏转与聚焦，改变声波到达破裂源的相位关系，以提高监测的精度。
步骤4、三维超声成像软件根据超声传感器采集的回波、透射波信号及三维网格关系，联合反射-透射联合成像算法，反演分析监测区域的三维波速场，然后通过波速场变化反映岩体破裂位置及程度。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (7)
1.一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，其特征在于，包括大功率超声相控装置、超声收发一体式传感器和测控与三维超声成像软件；
所述大功率超声相控装置包括超声激励及采集单元、激励与采集转换开关、功率放大器、信号放大器；所述超声激励及采集单元与所述激励与采集转换开关相连，激励与采集转换开关分别连接所述功率放大器和信号放大器，功率放大器和信号放大器均连接所述超声收发一体式传感器；
所述超声收发一体式传感器采用收发一体式晶片，并预埋在大型三维地质模型中；若干个超声收发一体式传感器连接形成链式传感器阵列；在同一监测断面上，布置若干条链式传感器阵列，以覆盖监测区域，多个监测断面的传感器共同构成三维测控网格；
所述测控与三维超声成像软件包括监测控制软件与三维超声成像分析软件，所述监测控制软件控制大功率超声相控装置的激励与采集，所述三维超声成像软件利用超声收发一体式传感器采集的超声波信号进行三维波速场反演分析，进而通过波速场变化实现岩体破裂源的精准定位。
2.根据权利要求1所述的一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，其特征在于，所述超声激励及采集单元通过超声激励与采集转换开关分别选择超声发射或超声接收模式：当选择超声发射模式时，转换开关与功率放大器连接，超声激励及采集单元通过发射超声脉冲信号，经功率放大器放大后传给超声收发一体式传感器；当选择超声接收模式时，转换开关与信号放大器连接，超声收发一体化传感器接收的信号经信号放大器放大后，由超声激励及采集单元进行采集并存储。
3.根据权利要求1所述的一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，其特征在于，所述大功率超声相控装置设置128个监测通道，多个监测通道逐次按预先规定的延迟时间激励传感器，改变声波到达物体内某点时的相位关系，控制声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，以提高监测精度。
4.根据权利要求1所述的一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，用于实现一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据边界条件和岩石力学理论判断重点破坏区域，即超声重点监测区域；
步骤2、根据重点监测区域条件和地质模型开挖设计方案，采用几何非对称监测布置模式，即在重点监测区域布置数量相对多量的监测传感器；对于不易发生破坏的位置，布置相对少量的监测传感器；
步骤3、根据几何非对称监测布置方案，将传感器采用预埋式方式实现与三维地质模型的耦合，并将传感器按照编号与大功率超声相控装置进行连接；然后对每一链式传感器阵列的传感器按预先设定的延迟时间逐一激励；
步骤4、三维超声成像软件根据超声传感器采集的回波、透射波信号及三维网格关系，联合反射-透射联合成像算法，反演分析监测区域的三维波速场，然后通过波速场变化反映岩体破裂位置及程度。
5.根据权利要求4所述的一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，其特征在于，所述步骤2具体为，在监测区域内，沿洞轴开挖方向设置4～5个与洞轴线垂直的监测断面，不同监测断面距离不超过1m，每个监测断面布置3～4条链式传感器阵列且呈扇形布置，每条链式传感器阵列呈直线状排列且传感器间距不超过10cm，传感器数量根据监测深度确定，每条链式传感器阵列中传感器数量不少于4个；不同监测断面传感器组交错布置，形成三维监测网格；为提高监测精度，对监测网格进行加密布置。
6.根据权利要求4所述的一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，其特征在于，步骤3中所述激励具体为，当某一传感器被激励时，同一链式传感器阵列的其他传感器采用回波监测模式，不同链式传感器阵列上的传感器采用透射监测模式，两两传感器之间形成了三维监测网格；同一链式传感器阵列上的传感器通过控制传感器激发的数量、传感器位置、激励时间，进而控制超声发射束的偏转与聚焦，改变声波到达破裂源的相位关系，以提高监测的精度。
7.根据权利要求4所述的一种超大型三维地质模型内部破裂过程分布式超声监测系统，其特征在于，步骤4中所述反射-透射联合成像算法为传感器采用回波监测模式与透射监测模式，利用回波信号与透射波信号联合进行超声波成像。
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